太阳能光电工程学院《太阳能电池及其应用》课程设计报告书题目：聚光型太阳能电池技术及现状姓名：设计成绩：指导教师：摘要本文概述了目前全球能源现状，以及聚光型太阳能电池的市场背景，表明了太阳能发电的重要性和前景，详细介绍了聚光型太阳能电池的技术、现状以及与普通太阳能电池的区别，并对普通太阳能电池与聚光型太阳能电池发电所需发电成本进行比较。
详细介绍了塔式、槽式、碟式太阳能发电的原理及优缺点。
指出电池冷却技术的必要性和冷却技术。
同时指出聚光型太阳能电池发展面临的困难和解决措施，以及今后的发展方向。
通过改造电池制造工艺、提高转换效率、聚焦技术的应用等手段，可以有效降低光伏发电成本，也是国内外本领域研究的热点。
其中采用聚焦技术是一个有效地方法。
对常规太阳能电池进行聚光，使太阳电池工作在几倍乃至几百倍的光强条件下，一定程度上克服了太阳能量的分散性，可以提高单位面积太阳电池的输出功率，大大降低光伏发电成本，具有很好应用前景。
关键词：聚光型太阳能电池技术措施目录绪言 (2)1.聚光型太阳能原理及技术 (3)1.1聚光型太阳能电池的原理 (3)1.2聚光型太阳能电池的关键技术 (4)1.3塔式太阳能发电技术 (5)1.4槽式太阳能发电 (6)1.5碟式太阳能发电 (7)1.6电池的冷却技术 (7)2.产品的的核心优势 (10)2.1光电转换效率高 (10)2.2单位面积输出功率高 (10)3.现状与展望 (10)3.1我国聚光型太阳能电池的现状 (10)3.2展望 (11)参考文献 (12)绪言随着经济的发展，社会的进步，人们对能源提出了越来越高的要求，由于全球气候变迁、空气污染问题以及资源的日趋短缺之故，传统的燃料能源正在一天天减少，与此同时全球还有约20亿人得不到正常的能源供应。
寻找新能源成为当前人类的面临的迫切课题。
太阳能以其独有的优势成为人们关注的焦点。
由于太阳能发电具有火电、水电、核电所无法比拟的清洁性、安全性、资源的广泛性、充足性和持久性等优点，太阳能被认为是21世纪最重要的能源。
但是目前光伏发电作为社会整体能源结构的组成部分所在占比例尚不足1%，造成这种情况的主要原因是光伏发电成本高。
通过改造电池制造工艺、提高转换效率、聚焦技术的应用等手段，可以有效降低光伏发电成本，也是国内外本领域研究的热点。
其中采用聚焦技术是一个有效地方法。
对常规太阳能电池进行聚光，使太阳电池工作在几倍乃至几百倍的光强条件下，一定程度上克服了太阳能量的分散性，可以提高单位面积太阳电池的输出功率，大大降低光伏发电成本，具有很好应用前景。
1.聚光型太阳能原理及技术1.1聚光型太阳能电池的原理聚光电池是降低太阳电池利用总成本的一种措施，通过聚光器使较大面积的阳光聚在一个较小的范围内，形成“焦斑”或“焦带”，并将太阳电池置于“焦斑”或“焦带”上，以增加光强克服太阳辐射能流密度低的缺陷，从而获得更多的电能输出。
通常聚光器的倍率大于几十，其结构可采用反射式或透镜式。
聚光器的跟踪一般用光电自动跟踪，散热方式可以是气冷或水冷，有的与热水器结合，既获得电能，又得到热水。
用于聚光太阳电池的单体，与普通太阳电池略有不同，因需耐高倍率的太阳辐射，特别是在较高温度下的光电转换性能要得到保证，故在半导体材料选择、电池结构和栅线设计等方面都比较特殊。
最理想的材料是砷化镓，其次是单晶硅材料。
在电池结构方面，普通太阳电池多用平面结构，而聚光太阳电池常采用垂直结构，以减少串联电阻的影响。
同时，聚光电池的栅线也较密，典型的聚光电池的栅线约占电池面积的1O％，以适应大电流密度需要。
适合于聚光用的太阳能电池有两种：单晶硅的背接触电池和砷化镓多结电池，以后者的光转化效率为最高（目前实验室达41%，量产高于35%）。
这些电池过去用于非聚光的航天航空的高端应用。
目前为止，国际上生产厂家很少也很低。
图1聚光太阳电池的原理1.2聚光型太阳能电池的关键技术聚光太阳能电池是由跟日器、聚光电池组件和聚光器及相关动力和降温装置构成，采用聚焦的方式将太阳光的光能密度大大提高（400倍以上），可使太阳能电池转换效率提高，在小面积的单晶硅片上获得大的电流。
太阳光的聚焦可采用费涅尔透镜或抛物面反射镜，太阳能聚光电池的散热采用大面积的散热片自然冷却，或者是采用循环水冷将热量二次利用。
太阳能自动跟踪聚焦式光伏发电系统的关键技术是精确跟踪太阳，其聚光比越大跟踪精度要求就越高，聚光比为400小时跟踪精度要求小于0.2度。
在一般情况下跟踪精度越高其结构就越复杂，造价就越高，甚至造价高于光伏发电系统的光电池的总造价。
聚光电池及发电系统的广泛应用的成功与否，关键在于技术上实现聚光发电系统的高跟踪度、可靠性、耐侯性，确保能否在恶劣自然环境下的长期使用。
一般商用太阳电池的光电转换效率为6%～15%,在运行的过程中,未被利用的太阳辐射能除了一部分被反射外其余大部分被电池吸收转化为热能;如果这些吸收的热量不能及时排除,电池温度就会逐渐升高,发电效率降低(据统计电池组件温度每降低1K输出电量增加0.2%～0.5%),太阳电池长期在高温下工作还会因迅速老化而缩短使用寿命。
1.3塔式太阳能发电技术塔式太阳能发电主要有大量的跟踪太阳的定向反射镜和装在中央塔上的热接收器这两大部分组成，成千上万面定日镜将太阳光聚焦到中央接收器上，接收器将太阳辐射能转换成热能。
然后再将热能传递给热力循环工具，驱动热机做工发电。
随着镜场中定日镜的增加，塔式聚光系统的聚光比也随之上升，最高可达1500，运行温度为1000℃~ 1500℃。
它因其聚光倍数高、能量集中过程简单、热转化效率高等特点，极适合大规模并网发电，图1为塔式太阳能发电的系统图。
从图2中可以看出，他是太阳能发电系统包括：跟踪太阳能的定日镜、接收器、工质加热器、储能系统以及汽轮机组等部分。
收集装置由多面定日镜、跟踪装置支撑结构等构成。
系统通过对收集装置的控制，实现对太阳的最佳跟踪，从而将太阳的反射光准确聚焦到中央接收器内的吸热器中，使传热介质受热升温，进入蒸汽发生器产生蒸汽，最终驱动汽轮机组进行发电。
此外，为了保证持续供电需要储热装置将高峰时段的热量进行存储以备早晚和阴雨间隙使用。
图2塔式太阳能结构示意图1.4槽式太阳能发电槽式太阳能发电采用多个槽型抛物面式聚光器，将太阳光聚集到接收装置的集热管上，加热工质，产生高温蒸汽后推动汽轮机发电。
收集装置的几何特性决定了槽式太阳能发电的聚光比要低于塔式，通常在10~100之间，运行温度达400℃。
如图3所示，槽式太阳能发电包括聚光集热部分、换热部分、发电储能部分等。
聚光集热是整个槽式发电系统的核心，它由聚光阵列、集热器和跟踪装置组成。
在此部分，集热器大多采用串、并联排列的方式可按南北、东西和极轴3个方向对太阳光进行一维跟踪。
在换热部分，预热器、蒸汽发生器、过热器和再热器4组件实现了工质加热、换热、产生蒸汽、进行发电的过程。
由于槽式发电系统结构相对紧凑，其收集装置的占地面积比起塔式和碟式来说，相对较小，因而为槽式太阳能发电向产业化发展奠定了基础。
图3 槽式太阳能发电示意图1.5碟式太阳能发电作为目前热发电效率最高的方式，碟式太阳能发电整合多个反射镜组成抛物面碟形聚光镜，通过对其的旋转，将太阳光聚集到接收器中，经接收器吸热后加热工质，进一步驱动发电机组发电。
旋转抛物面碟形聚光镜的应用使得碟式太阳能发电的聚光比达到3000以上，这一方面有效地提高了光热转换的效率，但是另一方面也由于其较高的接受温度，对接收器的材料和工艺提出更高的要求。
1.6电池的冷却技术聚光型光伏发电技术采用低成本的反射镜或者透镜可以减少使用部分昂贵的太阳电池,太阳电池工作在低倍甚至高倍的光强照射下,单位面积的有效输出功率大幅增加发电成本大幅下降,但是随着单位面积的电池板辐射光强的增加吸收的热量也增加,电池的温度控制和散热问题也更为突出。
空气冷却技术是指在太阳电池背面通过空气自然或强制对流带走热量,可以达到降温目的。
采用自然对流冷却时把铜、铝等高导热材料作为电池背板,并安装肋片,可以加强自然对流换热。
采用强制对流换热,组件背面被制成通风流道,流道的入口(或同时在出入口)设置风机增强空气流动,但风机的使用会额外消耗一部分电能。
通常,采用空气冷却,换热性能与空气的流速和流道长度高度等有关,优化这些参数可以达到最佳的换热效果。
Araki等实验研究了500倍日照聚光条件下单个太阳电池的自然对流冷却问题,研究结果表明,电池与铝板间良好的热接触是保持电池低温的关键因素。
水冷却方式可分为自然循环冷却和强制循环冷却;水冷却系统的设计关键是保证太阳电池与换热器表面间良好的热传导和电绝缘。
典型的水冷却系统由换热器、水箱、若干连接阀门等部件组成,换热器的结构通常有管板式、流道式和水箱底座式等。
管板式结构是参照传统的平板太阳能集热板发展而来的,能很好解决工质的渗漏和电池的绝缘;流道式结构则同空气流道散热相似,换热工质与电池接触面积大换热效果高,但存在工质的渗漏和电池的绝缘等问题;水箱底座式将太阳电池直接粘接到具有斜面的水箱上,水箱作为工质容器和系统底座。
Solar Systems公司报道了一种应用于抛物型聚光式光伏发电系统的水冷却系统,电池的背面设置了平行的水流窄通道,试验结果表明在340倍的聚光条件下,当水流量为0.56kg/(m2·s)和泵功率为86W时,太阳电池的平均温度为38.52℃,电池效率为24.0%;如果能够充分利用冷却水的热量,系统的综合能量利用率可超过70%。
表1列举了一些研究者关于空气和水在自然对流或强制对流冷却时系统热阻的比较。
表1 空气和水在自然对流或强制对流冷却时系统热阻比较热管冷却技术是指在聚光型光伏发电系统利用菲涅耳透镜或者抛物面反射镜来聚光时,由于阳光不能均匀地投射在电池组件表面,将引起电池间的电阻不均匀导致电池效率降低;James和Williams指出,在1000倍日照的聚光条件下照射度的不均匀将会造成4%以上的效率损失。
热管是一种高效传热元件,同时具有很好的均温性能,非常适用于聚光条件下的电池冷却。
采用热管冷却热管的蒸发端紧贴太阳电池的背面,冷凝段暴露在大气中与周围空气进行自然对流换热,安装翅片增加散热面积可以提高冷凝段的换热效果。
由于冷却元件的温度一般要求在20～100℃内,热管的设计可选择R-11或R-22以及水作为工作液体。
采用水作为工作液体,在温度不超过140℃时,热管的散热热流可达到250～1000kW/m2。
Akbarzadeh和Wadowski报道了一种带扁平状铜热管蒸发端的热管冷却系统,太阳电池垂直粘贴扁平的铜热管蒸发端;研究表明:在有太阳的天气情况下,该系统的聚光率是20倍,采用热管冷却系统后电池的温度上升不会超过46℃;不用热管冷却电池的温度超过84℃。